Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền thông thị giác và tiếp thị thương mại, các hệ thống màn hình LED quảng cáo (quang báo) đóng vai trò then chốt trong việc hiển thị thông điệp, hình ảnh động và video trực quan nhằm thu hút sự chú ý tại các không gian công cộng. Tuy nhiên, theo ghi nhận thực tế từ nhóm tác giả Trịnh Đình Phi và Võ Trường Hiếu (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2025), phần lớn các bảng hiệu quảng cáo LED truyền thống hiện nay đang bộc lộ nhiều hạn chế về mặt vận hành:

  • Quy trình thay đổi nội dung mang tính thủ công, phức tạp và đòi hỏi thao tác nạp trực tiếp qua cổng giao tiếp có dây hoặc thiết bị lưu trữ rời.
  • Thiếu tính linh hoạt trong việc tùy chỉnh các tham số hiển thị theo thời gian thực như màu sắc, kích thước phông chữ, định vị tọa độ và hiệu ứng chuyển động.
  • Hoàn toàn thiếu cơ chế giám sát phản hồi từ xa, khiến người quản trị không thể nắm bắt được tình trạng hoạt động thực tế của bảng LED hay phát hiện sự cố hiển thị khi không có mặt trực tiếp tại hiện trường.

Nhằm giải quyết triệt để các tồn tại trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính với đề tài "Xây dựng hệ thống quảng cáo LED tùy chỉnh qua ứng dụng di động sử dụng kit raspberry" (người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm) đã được triển khai. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quản lý nội dung quang báo thông qua sự kết hợp giữa kiến trúc máy tính nhúng, giao thức truyền thông đám mây và module thị giác giám sát IoT.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo hệ thống phần cứng điều khiển bảng màn hình LED ma trận đa sắc P5 (độ phân giải 64x32 điểm ảnh), đảm bảo tính ổn định về mức logic và cung cấp năng lượng.
  2. Xây dựng khối xử lý trung tâm trên nền tảng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B để tiếp nhận dữ liệu cấu hình, xử lý đồ họa, giải mã khung hình và điều khiển quét màn hình LED.
  3. Thiết kế ứng dụng điều khiển trên thiết bị di động (hệ điều hành Android) thông qua nền tảng MIT App Inventor, cho phép người dùng tùy biến nội dung chữ, màu sắc, vị trí, kích thước, hiệu ứng viền, đồng thời hỗ trợ truyền phát hình ảnh tĩnh, ảnh động (GIF) và video.
  4. Tích hợp module camera ESP32-CAM nhằm truyền phát luồng dữ liệu hình ảnh thời gian thực, cho phép giám sát trực tiếp tình trạng hiển thị của màn hình từ xa qua mạng.
  5. Thiết lập hạ tầng cơ sở dữ liệu thời gian thực (Firebase Realtime Database) đóng vai trò trung gian đồng bộ hóa dữ liệu điều khiển giữa ứng dụng di động và bộ xử lý trung tâm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B; tấm panel LED ma trận RGB P5 (kích thước 320x160 mm, khoảng cách điểm ảnh 5mm); vi điều khiển tích hợp camera ESP32-CAM (cảm biến OV2640); mạch đệm chuyển mức logic 74HC245; nền tảng cơ sở dữ liệu Firebase; môi trường phát triển ứng dụng MIT App Inventor.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về không gian và phần cứng: Giới hạn thực nghiệm trên mô hình bảng quang báo đơn kích thước 64x32 điểm ảnh chuẩn giao tiếp HUB75, triển khai trong môi trường phòng thí nghiệm thuộc Khoa Điện - Điện tử, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
    • Về chức năng phần mềm: Tập trung vào giải thuật hiển thị văn bản động, giải mã định dạng đa phương tiện (ảnh, GIF, video ngắn), đồng bộ hóa dữ liệu qua kết nối Internet và truyền phát video giám sát chất lượng tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý kỹ thuật

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng kỹ thuật phần cứng và lý thuyết xử lý hiển thị kỹ thuật số:

  • Nguyên lý hiển thị LED RGB và điều biến độ rộng xung (PWM): Điểm ảnh (pixel) là đơn vị cơ bản cấu thành hình ảnh, mỗi pixel gồm 3 đi-ốt phát quang ba màu cơ bản: Đỏ (Red), Xanh lá (Green), Xanh dương (Blue). Bằng kỹ thuật điều biến PWM điều chỉnh tỷ lệ chu kỳ bật/tắt của dòng điện qua từng đi-ốt, hệ thống phối hợp các mức cường độ sáng khác nhau để tạo ra dải màu sắc đa dạng.
  • Cấu trúc bộ đệm khung hình (FrameBuffer) và định dạng điểm ảnh (Pixel Format): FrameBuffer đóng vai trò là vùng nhớ tạm thời lưu trữ toàn bộ dữ liệu màu sắc và độ sáng của từng điểm ảnh trước khi xuất ra phần cứng hiển thị. Tác giả đã phân tích các định dạng dữ liệu điểm ảnh bao gồm RGB565 (16-bit), RGB888 (24-bit hỗ trợ 16 triệu màu) và Grayscale (8-bit biểu diễn mức xám), cùng các mức tần số quét khung hình (24 FPS, 30 FPS, 60 FPS, 120 FPS) nhằm tối ưu hóa dung lượng RAM và băng thông xử lý của hệ thống nhúng.
  • Kiến trúc phần cứng tấm Panel LED P5: Module P5 có kích thước vật lý 320x160 mm với ma trận 64x32 điểm ảnh. Cấu tạo mạch điều khiển bên dưới tấm panel tích hợp hệ thống vi mạch chuyên dụng:
    • 02 cổng HUB75 (gồm cổng nhận tín hiệu HUB-IN và cổng nối tiếp HUB-OUT).
    • 02 IC 74HC245: Đệm và khuếch đại tín hiệu dữ liệu hai chiều.
    • 02 IC 74HC138: Mạch giải mã 3 đường sang 8 đường (3-to-8 line decoder, active LOW) điều khiển quét chọn hàng LED.
    • 16 IC SSF4953: Mạch khóa chuyển mạch kép công suất MOSFET kênh P (đóng gói SOP-8), chịu dòng tải định mức lên đến -5A, đóng vai trò đóng/ngắt cấp dòng cho các hàng LED.
    • 24 IC TLC5926: Mạch tích hợp điều khiển dòng điện không đổi 16 kênh (constant-current sink driver), hỗ trợ giao tiếp nối tiếp chuẩn SPI và điều chỉnh độ sáng qua PWM.
Tên linh kiện / Chuẩn Loại linh kiện Chức năng kỹ thuật chính trong hệ thống
HUB75 Chuẩn giao tiếp 16 chân Truyền dữ liệu màu (R0, R1, G0, G1, B0, B1), xung nhịp (CLK), chốt (STB/LA), cho phép xuất (OE) và chọn hàng (A, B, C, D).
74HC138 IC giải mã logic CMOS Nhận 3 đường địa chỉ nhị phân, giải mã kích hoạt 1 trong 8 hàng LED tương ứng ở mức điện áp thấp (LOW).
TLC5926 IC Driver LED dòng tĩnh Quản lý dòng điện qua 16 kênh LED độc lập, nhận dữ liệu nối tiếp tốc độ cao qua giao thức SPI.
SSF4953 IC MOSFET công suất P-Ch Đóng cắt mạch nguồn công suất cho các khối LED, chịu dòng điện lớn (tối đa -5A).
74HC245 IC Octal Bus Transceiver Chuyển đổi và đệm mức điện áp tín hiệu logic giữa 3.3V (Raspberry Pi) và 5.0V (Panel P5).
  • Máy tính nhúng và vi điều khiển: Báo cáo thực hiện khảo sát so sánh các dòng máy tính nhúng phổ biến gồm Raspberry Pi (các đời Pi 1, 2, 3, 4), LattePanda (chạy hệ điều hành Windows/Linux kiến trúc x86) và NVIDIA Jetson (chuyên dụng xử lý thị giác AI). Từ yêu cầu xử lý đồ họa mượt mà, mức tiêu thụ năng lượng thấp và sự tương thích của hệ thống chân GPIO, Raspberry Pi 3 Model B (vi xử lý Broadcom BCM2837 4 nhân ARM Cortex-A53 1.2GHz, 1GB LPDDR2 RAM, tích hợp Wi-Fi 802.11b/g/n, Bluetooth 4.1 và GPU VideoCore IV) được lựa chọn. Module ESP32-CAM kết hợp chip ESP32 và cảm biến camera OV2640 được chọn cho khối giám sát hình ảnh.
  • Khảo sát giao thức mạng và truyền thông: Tác giả hệ thống hóa các chuẩn truyền thông không dây (Wi-Fi IEEE 802.11, Bluetooth, Zigbee, LoRa) và có dây (USB). Wi-Fi được chọn làm giao thức kết nối chính nhờ băng thông rộng, đáp ứng khả năng truyền tải dữ liệu đa phương tiện và phát video giám sát.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu thông số kỹ thuật của các dòng máy tính nhúng, IC chuyên dụng và giao thức mạng.
  • Phương pháp thiết kế mạch và tích hợp hệ thống phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán công suất nguồn cấp, vẽ mạch in PCB cho mạch đệm mức logic.
  • Phương pháp phát triển phần mềm theo khối chức năng: Ứng dụng nền tảng MIT App Inventor để lập trình khối giao diện người dùng (UI Designer) và thuật toán logic (Blocks Editor); sử dụng ngôn ngữ Python trên hệ điều hành Linux (Raspbian) của Raspberry Pi để xử lý logic điều khiển quét LED và đồng bộ dữ liệu qua thư viện giao tiếp Firebase API.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 5 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ với nhau:

[Ứng dụng di động (MIT App Inventor)]
     [Cơ sở dữ liệu Firebase]
[Khối xử lý trung tâm: Raspberry Pi 3B]
     [Khối đệm: IC 74HC245 (3.3V -> 5V)]
[Nguồn công suất 5V - 40A]                      [Người dùng theo dõi từ xa]

1. Phân tích chi tiết các khối phần cứng

  • Khối nguồn (Power Supply): Do màn hình LED ma trận gồm hàng nghìn đi-ốt phát quang có mức tiêu thụ dòng cực lớn khi hoạt động đồng thời, hệ thống sử dụng giải pháp phân tách nguồn:
    • Bộ nguồn thứ nhất: 5V - 2A dùng để cấp điện áp ổn định cho Raspberry Pi 3 Model B, mạch đệm tín hiệu và module ESP32-CAM.
    • Bộ nguồn thứ hai: Nguồn tổ ong công suất cao 5V - 40A cung cấp năng lượng độc lập trực tiếp cho tấm panel LED P5, đảm bảo không sụt áp khi hiển thị toàn bộ điểm ảnh ở độ sáng tối đa.
  • Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Bo mạch Raspberry Pi 3 Model B chạy hệ điều hành Linux đóng vai trò làm máy chủ nhúng. Bo mạch có nhiệm vụ định kỳ kiểm tra hoặc lắng nghe sự thay đổi dữ liệu trên Firebase, tải nội dung văn bản, tệp đồ họa, phân tích dữ liệu hiển thị và xuất tín hiệu điều khiển quét thời gian thực qua 40 chân GPIO.
  • Khối đệm chuyển đổi mức logic (Buffer Circuit): Tín hiệu điều khiển xuất ra từ chân GPIO của Raspberry Pi hoạt động ở mức logic 3.3V, trong khi cổng giao tiếp HUB75 trên panel LED P5 yêu cầu mức logic chuẩn TTL 5V. Để khắc phục hiện tượng suy hao, méo dạng xung nhịp và sai lệch màu, tác giả thiết kế một mạch in PCB chuyên dụng sử dụng IC 74HC245. IC này thực hiện chuyển mức điện áp từ 3.3V lên 5V, nâng cao dòng dẫn tín hiệu, chống nhiễu trên đường cáp truyền dẫn.
  • Khối hiển thị (Display Unit): Sử dụng 01 panel LED P5 độ phân giải 64x32. Tín hiệu từ khối đệm truyền vào cổng HUB-IN theo các đường tín hiệu màu (R0, R1, G0, G1, B0, B1), đường chọn địa chỉ hàng (A, B, C, D qua IC 74HC138), xung đồng bộ CLK, chốt dữ liệu STB và tín hiệu cho phép xuất dữ liệu OE.
  • Khối giám sát (Monitoring Unit): Sử dụng module ESP32-CAM đặt tại góc quan sát phía trước mặt bảng LED. ESP32-CAM được lập trình kết nối mạng Wi-Fi nội bộ, thu nhận hình ảnh liên tục từ camera OV2640 và tạo một máy chủ phát luồng video (video streaming server) qua giao thức HTTP. Khi nạp chương trình (firmware), chân GPIO0 được kéo xuống mức GND; nguồn cấp cho module yêu cầu tối thiểu 5V - 500mA ổn định.

2. Thiết kế phần mềm và giải thuật

Hệ thống phần mềm được chia thành hai phân hệ độc lập tương tác qua cơ sở dữ liệu:

  • Phân hệ ứng dụng di động (Android App): Lập trình trên MIT App Inventor với cấu trúc giao diện đa tầng:
    • Trang đăng nhập (Login Screen): Xác thực quyền truy cập của người quản trị, kiểm tra tài khoản/mật khẩu trước khi cho phép vào hệ thống.
    • Trang chủ (Home Screen): Cho phép nhập chuỗi ký tự quảng cáo và nút xác nhận lưu trữ để gửi dữ liệu chuỗi lên Firebase.
    • Trang cấu hình phông chữ và vị trí (Font & Position Screen): Cung cấp các trường nhập tọa độ hiển thị (X, Y) và tùy chọn kích thước phông chữ (Size). Hệ thống tích hợp thuật toán kiểm tra tính hợp lệ của giá trị tọa độ nằm trong giới hạn khung 64x32 điểm ảnh.
    • Trang màu sắc và hiệu ứng (Color & Effect Screen): Cung cấp bảng màu cho phép người dùng tùy chọn màu sắc hiển thị của chữ (theo các tổ hợp RGB) và bật/tắt các hiệu ứng viền chuyển động xung quanh bảng LED.
    • Trang chế độ phát và thời gian (Play Mode & Duration Screen): Hỗ trợ chuyển đổi giữa chế độ phát chữ tùy biến, chế độ trình chiếu hình ảnh/GIF hoặc chế độ phát video ngắn (người dùng nhập tên định danh tệp đã lưu trong bộ nhớ trung tâm), đồng thời cài đặt chu kỳ thời gian hiển thị.
  • Phân hệ điều khiển máy tính nhúng (Raspberry Pi Controller): Lập trình bằng Python, thực thi vòng lặp tuần tự:
    1. Khởi tạo cấu hình các chân GPIO và bộ nhớ đệm FrameBuffer.
    2. Kết nối tới Firebase Realtime Database qua mạng không dây.
    3. Đọc các tham số cấu hình: nội dung văn bản, mã màu, tọa độ (X, Y), cỡ chữ, hiệu ứng, tên tệp đa phương tiện và thời gian phát.
    4. Nếu chế độ là hiển thị văn bản: kích hoạt thư viện đồ họa để dựng ma trận điểm ảnh chữ và hiệu ứng viền, liên tục quét các hàng thông qua cổng HUB75.
    5. Nếu chế độ là hình ảnh/video: tiến hành giải mã từng khung ảnh (Frame), chuyển đổi về định dạng màu tương thích và cập nhật liên tục vào FrameBuffer theo tần số quét định trước.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của ngành quảng cáo kỹ thuật số và hạn chế của các hệ thống quang báo truyền thống. Tác giả phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT và máy tính nhúng trong điều khiển bảng LED RGB ma trận; xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống hiển thị tùy biến đa phương tiện (chữ, hình ảnh, video); xác định đối tượng nghiên cứu trọng tâm là Raspberry Pi 3B, panel LED P5 và ESP32-CAM; đồng thời vạch ra phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và bố cục tổng quát gồm 5 chương của đồ án.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức lý thuyết kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin phục vụ đề tài:

  • Phân tích cấu tạo đi-ốt phát quang LED RGB dán bề mặt, nguyên lý pha trộn màu dựa trên điều khiển độ rộng xung PWM.
  • Khảo sát các chuẩn panel màn hình LED trên thị trường (P2.5, P3, P4, P5, P6) và đi sâu vào cấu trúc phần cứng của panel P5: sơ đồ nguyên lý mạch HUB75, hoạt động giải mã của IC 74HC138 (3-to-8 decoder), nguyên lý điều khiển dòng không đổi của IC TLC5926 (16 kênh), hoạt động của khóa điện tử công suất MOSFET SSF4953 và mạch đệm bus 74HC245.
  • Nghiên cứu tổng quan về máy tính nhúng: phân tích, so sánh các đặc tính kỹ thuật của Raspberry Pi, LattePanda và AI NVIDIA Jetson, từ đó đưa ra cơ sở kỹ thuật lựa chọn Raspberry Pi 3 Model B (thông số chip BCM2837, RAM 1GB, bảng sơ đồ 40 chân GPIO).
  • Khảo sát chi tiết module camera ESP32-CAM (cấu tạo, sơ đồ chân, lưu ý kỹ thuật khi nạp firmware).
  • Trình bày lý thuyết điểm ảnh, cấu trúc bộ đệm khung hình (FrameBuffer RGB565, RGB888, Grayscale) và định dạng điểm ảnh, các mức tần số quét khung hình (FPS).
  • Khảo sát các công nghệ truyền thông không dây (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRa), chuẩn giao tiếp USB và giới thiệu môi trường lập trình MIT App Inventor (Designer và Blocks Editor).

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và hiện thực hóa hệ sinh thái phần cứng - phần mềm:

  • Thiết lập sơ đồ khối tổng quát của hệ thống quảng cáo và mô tả chức năng của 5 khối: Khối xử lý trung tâm, Khối đệm, Khối hiển thị, Khối giám sát và Khối nguồn.
  • Lựa chọn linh kiện và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng khối phần cứng; giải thích nguyên lý thiết kế mạch đệm tín hiệu sử dụng IC 74HC245 để chuyển đổi logic từ 3.3V lên 5V, bảo vệ chân GPIO của vi xử lý trung tâm.
  • Thiết kế phần mềm ứng dụng di động: xây dựng cấu trúc các giao diện chức năng và lưu đồ giải thuật chi tiết cho trang đăng nhập, trang chủ lưu quảng cáo, trang vị trí và cỡ chữ, trang hiệu ứng viền và màu chữ, trang chế độ phát và thời gian phát.
  • Xây dựng cấu trúc phần mềm, lưu đồ giải thuật cho khối giám sát sử dụng ESP32-CAM và lưu đồ giải thuật chương trình chính, chương trình con thực thi trên khối xử lý trung tâm Raspberry Pi 3.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ

Chương 4 công bố toàn bộ sản phẩm thực tế thu được sau quá trình thi công và thử nghiệm:

  • Hình ảnh thi công hoàn chỉnh mô hình màn hình LED P5 (mặt trước hiển thị và mặt sau bố trí dây bus, mạch đệm, nguồn cấp).
  • Sản phẩm mạch in PCB của khối đệm logic hoàn thiện.
  • Các giao diện vận hành thực tế của ứng dụng di động trên hệ điều hành Android: giao diện đăng nhập (kèm thông báo xử lý lỗi khi nhập sai thông tin), giao diện trang chủ lưu văn bản, giao diện cài đặt tọa độ X-Y (kèm cơ chế phản hồi kiểm tra giá trị hợp lệ/không hợp lệ), giao diện chọn màu sắc, cỡ chữ, hiệu ứng viền và chọn chế độ phát hình ảnh/video.
  • Kết quả hoạt động thực nghiệm trên mô hình thực tế: màn hình LED P5 hiển thị chữ rõ nét kèm hiệu ứng viền chuyển động, hiển thị ảnh tĩnh, phát ảnh động GIF và phát video mượt mà; luồng dữ liệu camera giám sát từ xa của ESP32-CAM hoạt động ổn định.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN ĐỀ TÀI

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ các mục tiêu kỹ thuật đã hoàn thành của đề tài; đánh giá mức độ ổn định và tính khả thi trong thực tiễn của giải pháp; đồng thời nêu rõ các mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng mở rộng, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm đạt được

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình hoàn chỉnh về cả phần cứng lẫn phần mềm với các chỉ tiêu kỹ thuật được ghi nhận trong văn bản:

  • Về phần cứng:
    • Thi công hoàn thiện khung vỏ bảo vệ và lắp ráp bảng panel LED P5 kích thước 320x160 mm (ma trận 64x32 điểm ảnh).
    • Gia công và hàn lắp hoàn chỉnh bo mạch in (PCB) mạch đệm sử dụng IC 74HC245, giải quyết triệt để vấn đề không tương thích mức logic giữa 3.3V của Raspberry Pi và 5V của cổng HUB75, loại bỏ hiện tượng nhiễu tín hiệu xung quét.
    • Phân tách thành công hệ thống cấp nguồn kép (nguồn điều khiển 5V - 2A và nguồn tải LED 5V - 40A), đảm bảo hệ thống vận hành liên tục không xảy ra hiện tượng sụt áp hay khởi động lại bộ vi xử lý.
    • Tích hợp thành công module ESP32-CAM thu nhận hình ảnh thực tế của mặt bảng LED và truyền phát luồng dữ liệu ổn định qua mạng không dây.
  • Về phần mềm:
    • Xây dựng hoàn chỉnh file cài đặt ứng dụng Android phát triển từ MIT App Inventor, hoạt động chính xác theo các lưu đồ giải thuật đã thiết kế.
    • Ứng dụng xử lý tốt các luồng thao tác: đăng nhập xác thực; nhập chuỗi ký tự quảng cáo; kiểm tra lỗi nhập liệu tọa độ X-Y; tùy biến mã màu chữ, kích thước chữ và hiệu ứng viền; chuyển đổi linh hoạt các chế độ phát nội dung văn bản, tệp ảnh tĩnh, ảnh động định dạng GIF và video.
    • Kết nối và đồng bộ hóa tức thời dữ liệu cấu hình giữa ứng dụng di động và bo mạch Raspberry Pi 3 thông qua cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.
  • Kết quả hiển thị trên bảng LED: Bảng LED P5 tái hiện chính xác nội dung chữ quảng cáo theo đúng màu sắc, tọa độ và hiệu ứng đã thiết lập từ xa; hỗ trợ hiển thị hình ảnh và video rõ ràng theo đúng năng lực phần cứng của ma trận 64x32 điểm ảnh.

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

Dựa trên nền tảng kế thừa mô hình hệ thống quang báo từ các khóa trước, nhóm tác giả đã thực hiện các cải tiến kỹ thuật quan trọng:

  • Đổi mới phương thức điều khiển truyền thống bằng việc tích hợp máy tính nhúng Raspberry Pi 3 và cơ sở dữ liệu đám mây Firebase, cho phép thay đổi nội dung quảng cáo từ xa linh hoạt qua mạng Internet thay vì phải nạp chương trình trực tiếp bằng dây cáp.
  • Thiết kế mạch đệm mức logic chuẩn hóa (sử dụng 74HC245), tạo giải pháp phần cứng tin cậy cho việc ghép nối các dòng vi xử lý 3.3V với màn hình hiển thị công nghiệp chuẩn HUB75 5V.
  • Bổ sung khối thị giác giám sát độc lập sử dụng ESP32-CAM, khắc phục nhược điểm "mù thông tin" của các bảng quảng cáo ngoài trời, cho phép người quản lý kiểm tra trạng thái vật lý thực tế của màn hình mà không cần có mặt trực tiếp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu thiết kế cơ bản, hệ thống vẫn tồn tại các hạn chế kỹ thuật được tác giả chỉ ra hoặc phản ánh qua phạm vi thực nghiệm:

  • Quy mô hiển thị: Hệ thống mới chỉ thử nghiệm trên 01 tấm panel LED P5 duy nhất với kích thước 320x160 mm và độ phân giải 64x32 pixel. Kích thước này tương đối nhỏ, hạn chế khả năng hiển thị các nội dung video phức tạp hoặc các đoạn thông điệp dài ở khoảng cách xa.
  • Nền tảng phát triển ứng dụng di động: Ứng dụng được xây dựng trên môi trường kéo-thả MIT App Inventor, do đó khả năng tối ưu hóa sâu về mặt hiệu năng xử lý, khả năng tùy biến giao diện đồ họa nâng cao và tốc độ vận hành còn thua kém so với các ứng dụng lập trình bằng ngôn ngữ Native (Java, Kotlin hoặc Flutter). Một số tính năng của ứng dụng phụ thuộc chặt chẽ vào kết nối mạng Internet.
  • Mức độ phụ thuộc hạ tầng mạng: Hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào dịch vụ đám mây Firebase và kết nối Wi-Fi. Khi mất tín hiệu mạng Internet, việc gửi lệnh cập nhật cấu hình mới từ ứng dụng di động sẽ bị gián đoạn.

Hướng nghiên cứu tiếp

Nhằm nâng cấp và mở rộng khả năng ứng dụng thực tiễn của sản phẩm, các định hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng kích thước màn hình: Nghiên cứu kỹ thuật ghép nối tầng (cascading) nhiều tấm panel LED P5 liên tiếp thông qua cổng xuất HUB-OUT để tạo thành các bảng hiển thị kích thước lớn, đáp ứng tiêu chuẩn quảng cáo ngoài trời diện tích rộng.
  • Tối ưu hóa phần mềm di động: Chuyển đổi mã nguồn ứng dụng từ MIT App Inventor sang các nền tảng lập trình ứng dụng di động chuyên nghiệp nhằm tăng cường tính bảo mật, nâng cao trải nghiệm người dùng và bổ sung các tính năng đồ họa nâng cao.
  • Phát triển tính năng thông minh: Nghiên cứu tích hợp các cảm biến môi trường (cảm biến ánh sáng để tự động điều chỉnh độ sáng màn hình theo ngày/đêm, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm để hiển thị thông tin thời tiết thời gian thực) và phát triển thuật toán lập lịch trình chiếu nội dung tự động theo từng khung giờ cố định.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo học thuật và kỹ thuật thực tiễn cao cho nhiều đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông và Hệ thống Nhúng & IoT:
    • Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp điều khiển màn hình LED ma trận RGB chuẩn giao tiếp HUB75 sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi.
    • Hướng dẫn rõ ràng về cách thiết kế mạch đệm chuyển mức logic 3.3V sang 5V bằng IC 74HC245, giải quyết bài toán không tương thích tín hiệu thường gặp trong các dự án phần cứng.
    • Cung cấp mô hình mẫu về việc tích hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để kết nối giữa ứng dụng di động Android và thiết bị nhúng Linux.
  • Người phát triển các đề tài liên quan đến hệ thống thị giác giám sát nhúng: Tài liệu cung cấp cấu hình thực tế, sơ đồ chân và kinh nghiệm triển khai module ESP32-CAM (cảm biến OV2640) trong vai trò máy chủ phát video streaming qua mạng cục bộ.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên thi công biển hiệu quảng cáo: Đồ án cung cấp các phân tích xác thực về việc phân tách nguồn điện công suất cao (5V - 40A) cho màn hình LED, đảm bảo an toàn điện và độ bền cho linh kiện bán dẫn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống bắt buộc phải sử dụng mạch đệm IC 74HC245 giữa bo mạch Raspberry Pi 3 và panel LED P5?

Bo mạch Raspberry Pi 3 Model B xuất tín hiệu điều khiển qua các chân GPIO ở mức điện áp logic 3.3V, trong khi cổng giao tiếp HUB75 của tấm panel LED P5 và các vi mạch logic trên panel yêu cầu mức điện áp chuẩn TTL 5V để nhận diện trạng thái HIGH một cách chính xác. Nếu kết nối trực tiếp, mức 3.3V có thể nằm ở vùng bất định, dẫn đến hiện tượng sai lệch dữ liệu màu, xung quét chập chờn hoặc nhiễu hiển thị. Mạch đệm sử dụng IC 74HC245 đóng vai trò nâng mức điện áp tín hiệu hai chiều từ 3.3V lên 5V, đồng thời khuếch đại dòng dẫn tín hiệu, bảo vệ an toàn cho các chân GPIO của Raspberry Pi khỏi các xung ngược hoặc sự cố quá tải từ màn hình.

2. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và phân tách như thế nào để đảm bảo vận hành ổn định?

Hệ thống sử dụng giải pháp cấp nguồn kép độc lập:

  • Nguồn 5V - 2A: Chuyên dụng cấp năng lượng cho bo mạch xử lý trung tâm Raspberry Pi 3, mạch đệm tín hiệu IC 74HC245 và khối giám sát ESP32-CAM.
  • Nguồn 5V - 40A: Là bộ nguồn công suất lớn cung cấp dòng tải trực tiếp cho ma trận LED của panel P5. Việc phân chia này là bắt buộc vì khi toàn bộ 2.048 điểm ảnh LED RGB (tương đương hơn 6.000 đi-ốt màu) trên tấm P5 bật sáng cùng lúc ở cường độ tối đa, dòng điện tiêu thụ có thể lên đến hàng chục Ampe. Việc dùng nguồn riêng giúp ngăn ngừa triệt để hiện tượng sụt áp trên bộ vi xử lý trung tâm, tránh gây hiện tượng treo hệ điều hành hoặc tự khởi động lại Raspberry Pi.

3. Cấu trúc phần cứng của tấm panel LED P5 bao gồm những loại IC chuyên dụng nào và chức năng của chúng là gì?

Tấm panel LED P5 (64x32) hoạt động dựa trên sự phối hợp của 4 dòng IC chuyên dụng chính:

  • 02 IC 74HC138: Mạch giải mã 3 sang 8 đường (active LOW), nhận tín hiệu địa chỉ hàng từ các chân A, B, C và kích hoạt quét tuần tự từng hàng hiển thị.
  • 24 IC TLC5926: Mạch tích hợp điều khiển dòng điện không đổi 16 kênh, nhận dữ liệu màu nối tiếp thông qua chuẩn giao tiếp SPI và điều khiển độ sáng của các điểm ảnh thông qua PWM.
  • 16 IC SSF4953: Khóa công tắc bán dẫn MOSFET kép kênh P (chịu dòng tối đa -5A), đóng ngắt đường cấp nguồn công suất cho các hàng LED tương ứng.
  • 02 IC 74HC245: Đệm và ổn định tín hiệu dữ liệu bus, ngăn chặn xung đột tín hiệu và suy hao đường truyền trước khi đưa vào các IC giải mã và driver.

4. Cơ chế đồng bộ hóa dữ liệu giữa ứng dụng di động điều khiển và máy tính nhúng Raspberry Pi diễn ra như thế nào?

Cơ chế đồng bộ hóa được thực hiện gián tiếp thông qua nền tảng đám mây Firebase Realtime Database. Khi người dùng thao tác trên ứng dụng di động (nhập văn bản, chọn màu, chỉnh tọa độ X-Y, cỡ chữ, hiệu ứng hoặc chọn tệp đa phương tiện), ứng dụng sẽ đóng gói các tham số này và gửi lên lưu trữ tại cây dữ liệu của Firebase qua kết nối Internet. Cùng lúc đó, trên máy tính nhúng Raspberry Pi 3, một tiến trình dịch vụ viết bằng Python chạy ngầm liên tục kết nối với Firebase. Khi phát hiện có sự thay đổi dữ liệu cấu hình, Raspberry Pi sẽ tự động tải các tham số mới về, phân tích cú pháp và cập nhật lại bộ đệm khung hình FrameBuffer để hiển thị ngay lập tức lên màn hình LED.

5. Khối giám sát ESP32-CAM hoạt động độc lập hay phụ thuộc vào Raspberry Pi, và cần lưu ý gì khi nạp firmware?

Khối giám sát ESP32-CAM hoạt động hoàn toàn độc lập với bo mạch xử lý trung tâm Raspberry Pi 3. Module này được cấp nguồn riêng (5V, yêu cầu tối thiểu 500mA) và tự kết nối vào mạng Wi-Fi nội bộ để khởi tạo một máy chủ phát luồng video (HTTP Streaming Server) từ cảm biến camera OV2640. Nhờ đó, ngay cả khi Raspberry Pi gặp lỗi hiển thị hoặc bị treo, người dùng vẫn có thể truy cập vào địa chỉ IP của ESP32-CAM để quan sát tình trạng thực tế của màn hình. Lưu ý kỹ thuật quan trọng khi nạp chương trình (firmware) cho ESP32-CAM là phải nối chân GPIO0 xuống chân đất (GND) để chuyển chip về chế độ Bootloader, sau khi nạp xong phải ngắt chân này ra để vi điều khiển khởi chạy chương trình bình thường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống quảng cáo LED tùy chỉnh qua ứng dụng di động sử dụng kit raspberry" của sinh viên Trịnh Đình Phi và Võ Trường Hiếu đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống quang báo thông minh khép kín từ phần cứng mạch đệm, kết cấu cơ khí đến phần mềm di động và hạ tầng kết nối đám mây. Việc kết hợp linh hoạt giữa máy tính nhúng Raspberry Pi 3, panel LED P5 chuẩn HUB75 và module thị giác ESP32-CAM đã giải quyết triệt để bài toán tùy biến nội dung đa phương tiện theo thời gian thực và giám sát hiển thị từ xa. Đây là một công trình kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng đúng xu hướng phát triển của công nghệ Internet vạn vật (IoT) trong các hệ thống truyền thông hiển thị số hiện đại.